[發(fā)明專利]一種多軸串聯(lián)機械臂的自抗擾控制方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010535769.9
• 申請日: 2020-06-12
• 公開（公告）號: CN111531548A
• 公開（公告）日: 2020-08-14
• 發(fā)明（設計）人: 劉丙友;李興;王力超;張崢崢;羅建;趙瑞
• 申請（專利權(quán)）人: 安徽工程大學
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16
• 代理公司: 合肥昊晟德專利代理事務所(普通合伙) 34153
• 代理人: 王瑞

1.一種多軸串聯(lián)機械臂的自抗擾控制方法，其特征在于，包括以下步驟：

S1：建立電機位置的動態(tài)數(shù)學模型

分析機械臂關(guān)節(jié)電機的工作電路，根據(jù)電機的平衡方程建立電機的數(shù)學模型，利用拉普拉斯變換得到零初始條件下電機輸出與輸入之間的傳遞函數(shù)和電機位置的動態(tài)數(shù)學模型；

S2：設計自抗擾控制器

對自抗擾控制器進行設計，并選擇非線性函數(shù)構(gòu)造自抗擾控制器中的擴張狀態(tài)觀測器與非線性誤差反饋控制律；

S3：估計系統(tǒng)總擾動并補償

將卡爾曼濾波器引入擴張狀態(tài)觀測器，估計系統(tǒng)總擾動，并對總擾動進行補償，實現(xiàn)對機械臂的控制。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多軸串聯(lián)機械臂的自抗擾控制方法，其特征在于：在所述步驟S1中，根據(jù)直流力矩電機的工作原理和基爾霍夫定律，電機的四個平衡方程即所述電機的數(shù)學模型，數(shù)學模型的表達式如下：

T_e(t)＝C_eΦi_a(t)＝K_ei_a(t)

E_a＝C_aΦn(t)＝K_aω(t)

其中，i_a、R_a、u_a和L_a分別為電樞電路的電流、電阻、電壓和電感，E_a為電機的反電動勢，T_e為由電樞電流產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩，C_e和K_e為電機轉(zhuǎn)矩系數(shù)，C_a和K_a為反電動勢系數(shù)，n為電機轉(zhuǎn)速，ω為電機角速度，J為轉(zhuǎn)動慣量，f為粘性摩擦系數(shù)，T_d為帶干擾因子的負載轉(zhuǎn)矩。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種多軸串聯(lián)機械臂的自抗擾控制方法，其特征在于：在所述步驟S1中，利用拉普拉斯變換可建立零初始條件下直流轉(zhuǎn)矩電動機輸出ω與輸入u_a之間的傳遞函數(shù)如下：

其中，Ω(s)是直流轉(zhuǎn)矩電動機輸出ω的拉氏變換，U_a(s)是直流轉(zhuǎn)矩電動機輸入u_a的拉氏變換。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種多軸串聯(lián)機械臂的自抗擾控制方法，其特征在于：在所述步驟S1中，電機位置的動態(tài)數(shù)學模型表示如下：

其中，θ為電機轉(zhuǎn)過的角度。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多軸串聯(lián)機械臂的自抗擾控制方法，其特征在于：在所述步驟S2中，所述自抗擾控制器包括跟蹤微分器、擴張狀態(tài)觀測器、非線性誤差反饋控制律與擾動補償裝置；

所述跟蹤微分器用于解決跟蹤信號和差分信號的合理提取問題，安排過渡過程，獲得平滑的輸入信號，建立無超調(diào)的快速跟蹤；

所述擴張狀態(tài)觀測器用于觀察未知外部干擾對系統(tǒng)模型的影響，并通過反饋方法進行補償；

所述非線性誤差反饋控制律用于將所述跟蹤微分器產(chǎn)生的過渡、差分信號和所述擴張狀態(tài)觀測器的觀測估計的誤差以非線性的方式組合起來；

所述擾動補償裝置用于對系統(tǒng)的總擾動進行補償。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種多軸串聯(lián)機械臂的自抗擾控制方法，其特征在于：所述跟蹤微分器的表達式如下：

其中，r₀為速度因子，h₀為濾波因子，h為采樣步長，fhan(v₁,v₂,r₀,h₀)為最速控制函數(shù)，表示如下：

其中，v(k)是最快的速度跟蹤信號，v₁(k)是v(k)的數(shù)值濾波后信號，v₂(k)是v₁(k)數(shù)值的微分信號，y是最速軌跡線，α是飽和函數(shù)。